不同物料下咸、淡水灌溉對設施黃瓜土壤特性和品質的影響

穆曉坤, 李文慧, 魏彥鳳, 游宏建, 徐廣亞, 尹 翠, 朱紅艷, 曹云娥

(1.寧夏大學,寧夏銀川 750021; 2.寧夏共享人力集團有限公司,寧夏銀川 750027)

目前,我國累積新鮮蔬菜種植基地面積超過0.23億hm2,作物產量超過8.17億t,分別占全球蔬菜總量的43%和48%[1]。寧夏地勢南高北低,屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候[2],水資源極其短缺,嚴重制約了寧夏設施產業的發展[3]。我國地下微咸水資源儲量豐富,為277億m3,絕大部分位于地下10～100 m處,適合開采利用[4]。更重要的是,地下微咸水的開發利用可以降低地下水位,對防治和減少土壤鹽漬化具有關鍵作用[5]。

前人研究表明,在合理的灌溉制度下,可以對土壤進行處理,添加一些緩解性物質已成為降低鹽脅迫的有效途徑之一[6]。而生物炭和蚯蚓糞在土壤改良和緩解鹽脅迫方面已被廣泛應用[7-8]。蚯蚓糞呈現團粒結構,透氣性和滲透性好,土壤不易板結,因此蚯蚓糞有利于植株的生長與發育[8-9]。生物炭比表面積大,孔隙度高,表面官能團豐富,它可以作為吸附劑去除土壤中的有機污染物[10-11]。同時生物炭保留并富集了生物質中大量營養物質,可以提高土壤肥力,促進植物生長[12]。崔佳音等研究得出,咸水灌溉會使土壤含鹽量升高,引起鹽分累積,且累積量與灌溉水礦化度成正比,生物炭的施加能有效緩解鹽分累積[13]。微咸水(含鹽量 2 g/L)灌溉下,添加一定的土壤改良劑,可以有效提高果實可溶性糖含量以及提高作物生長[14]。魏彥鳳等研究得出,在連續鹽水灌溉條件下,脫硫石膏和蚯蚓堆肥組合比單一土壤改良促進植物生長和作物產量更有效[15]。因此將生物炭與蚯蚓堆肥混合施用,對改良土壤及作物生長具有重要研究意義。

黃瓜是一種對鹽分十分敏感的蔬菜作物。目前農業生產中對黃瓜水分和養分調控等的相關研究較多,但在不同物料下咸、淡水灌溉對設施黃瓜土壤特性和品質的研究鮮有報道。因此本試驗采用4種栽培條件和 2 種灌溉制度,探究蚯蚓原位+生物炭對不同灌溉制度下的土壤改良效果以及對黃瓜品質與產量的影響,旨在為微咸水灌溉下設施黃瓜高效生產提供一定的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年3月5日到6月26日在寧夏銀川市賀蘭縣園藝產業園(38°18′N,106°15′E)進行,本試驗場所土壤的基礎理化性質是全氮含量 0.68 g/kg、全磷含量0.21 g/kg、全鉀含量15.81 g/kg、速效氮含量22.31 mg/kg、速效磷含量63.21 mg/kg、pH值7.89。寧夏二代太陽能日光溫室,長100 m,跨度6.8 m,脊高4.4 m,后墻高度4.7 m。

1.2 試驗設計

本研究以前期進行了5年微咸水持續灌溉的設施土壤為研究基礎土壤,以黃瓜德爾99為研究對象,采用雙因素設計,因素1為不同灌溉水:淡水灌溉(B)和微咸水灌溉(V);因素2為不同物料:未處理土壤(D)、蚯蚓原位處理(F)、生物炭(W)和蚯蚓原位處理+生物炭(F+W)。共8個處理(每個處理重復3次),具體見表1。灌溉所用淡水為0 g/L的NaCl水,微咸水為2 g/L的NaCl調配水。緩苗期灌溉淡水,灌溉周期為7 d。

表1 試驗設計

蚯蚓原位堆肥處理是筆者所在課題組經過長期研究出的一種新型栽培模式[16]:每個小區設置2條壟,均寬0.4 m,長7.0 m。分別作為種植壟和養殖壟,養殖壟用腐熟1個月后的牛糞(179.4 t/hm2)作為蚯蚓培育壟,蚯蚓投放量1.76 t/hm2,壟上布置2條滴灌帶,滴頭間距0.3 m,每日滴水,使養殖壟濕度達到55%即可;種植壟是利用蚯蚓將牛糞及蔬菜秸稈腐熟后產生的蚯蚓糞做栽培基質。每一茬拉秧結束后,將種植壟與養殖壟互換,蚯蚓會隨著滴灌水源進行切換,移動到另一側,無需再次投放蚯蚓。而蚯蚓異位堆肥是將已經腐熟好的蚯蚓糞直接均勻地撒施在栽培壟上,按照壟高0.2 m、寬 0.4 m、長7.0 m進行根區土壤替代。

1.3 植株樣品的采集及分析

1.3.1 植株干質量的測定 植株采集方法:2020年5月,在黃瓜植株盛果期,從每個處理中間行隨機選取6株植株,將根系全部挖出,分別貼好處理標簽后,帶回實驗室,用自來水清洗干凈,擦干水分,用消毒的小刀分開黃瓜植株地上部分、地下部分,地上部分包括莖和葉,分別測定其鮮質量,然后放置在105 ℃烘箱中,殺青0.5 h后,85 ℃烘干至恒質量。用分析天平測定黃瓜植株地上部分、地下部分的干質量。

1.3.2 黃瓜品質和產量的測定 果實采集:在黃瓜結果盛期,從每個處理隨機取5～8根果實,使用自封袋包裝,標記試驗處理并帶回實驗室,存放于4 ℃冰箱,及時進行品質測定。(1)果實品質測定:維生素C含量測定采用鉬藍比色法[17];有機酸含量測定采用酸堿滴定法[17];硝酸鹽含量測定采用水楊酸法[17];可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[17];可溶性固形物含量測定采用糖度儀[17]。(2)產量測定:在每個處理中間行隨機選取10株植株測量整個收獲期的黃瓜果實產量。

1.4 土壤的采集及分析

1.4.1 土壤采集 2020年5月,在盛果期取土,每個處理按照“S”形選5點取樣,用取土器取黃瓜根系處土壤,混勻后,進行風干,之后過1 mm和 0.25 mm 篩,用于測定土壤化學性質和酶活性。

1.4.2 土壤化學性質 (1)測定指標:pH值、EC值、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、有機質含量。(2)測定方法:參照周衛的土壤農化分析試驗方法[18]并改進,進行土壤化學指標的測定。

1.4.3 土壤酶活性測定 (1)測定指標:脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性。(2)測定方法:參照周衛的土壤農化分析試驗方法[18]并改進,進行土壤酶活性的測定。

1.5 主成分分析

通過對土壤理化性質、酶活性、植株干質量、品質和產量等指標進行數據標準化,主成分分析并計算得分,以及隸屬函數μ(X1)、μ(X2)和μ(X3)結合權重處理求得綜合評價D值,并對其進行排名。

公式如下:

式中:D為不同處理對各指標的綜合評價值。

1.5 數據統計與分析

利用Excel 2010和SPSS 2021對數據進行統計分析,采用單因素方差方法進行結果分析,在0.05水平上進行顯著性分析,利用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜土壤化學特性的影響

2.1.1 對土壤pH和EC值的影響 由圖1可知,在淡水灌溉下,B+F和B+F+W相比B+D土壤pH值分別降低了6.2%和5.1%,但分別顯著增加EC值35.0%和47.7%;在微咸水灌溉下,V+F+W 相對 V+D顯著降低土壤pH值7.8%,但顯著增加EC值33.8%。在相同物料不同灌溉水下,B+D與 V+D、B+F與V+F處理相比pH值和EC值均較低。

2.1.2 對土壤養分的影響 由表2可知,在淡水灌溉下,B+F+W處理的速效氮和全磷含量均為最高,速效氮含量依次比B+D、B+F和B+W高730.6%、91.7%和521.3%,全磷含量顯著高于B+D、B+F和 B+W 66.7%、22.0%和52.0%,且B+D處理的速效氮和全磷含量均為最低,B+F處理的全氮、速效磷和有機質含量均為最高,與B+D相比分別顯著高出238.1%、94.5%和360.2%,且B+D處理的全氮、速效磷和有機質含量均為最低。在微咸水灌溉下,V+F+W處理的速效氮、全氮、全磷和有機質含量均為最高,速效氮含量顯著高于V+D、V+F和V+W 345.1%、80.5%和158.0%,全氮含量分別顯著高于 V+D、V+F和V+W 120.3%、30.8%和114.8%,且V+D處理的速效氮、全氮、速效磷和有機質含量均為最低。在相同物料不同灌溉水下對全磷含量影響顯著,V+F+W相對B+F+W和V+F相對B+F全磷含量分別顯著增加30.3%和54.3%。

表2 不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜土壤養分的影響

2.2 不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜土壤酶活性的影響

由圖2可知,在淡水灌溉下,B+F+W的脲酶、過氧化氫酶活性均為最高,脲酶活性顯著高于B+D、B+F和B+W 50.0%、7.5%和70.1%,過氧化氫酶顯著高于B+W 27.7%,且B+D處理的蔗糖酶和磷酸酶活性均最低。在微咸水灌溉下,V+F+W磷酸酶活性顯著高于V+D,而V+F與V+F+W間蔗糖酶活性無顯著性差異。相同物料在不同灌溉水下對脲酶含量影響顯著,B+F+W相對于 V+F+W顯著提高了脲酶活性12.9%,對磷酸酶活性,V+F相對B+F和V+F+W相對B+F+W顯著增加了磷酸酶活性6.0%和29.7%。

2.3 不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜植株干物質量的影響

由表3可知,B+F+W處理的地上、地下干物質量均為最高,在淡水灌溉下,B+F+W處理顯著高于B+D、B+F處理,相對于B+D處理地上和地下干物質量分別顯著增加55.4%和130.4%。在微咸水灌溉下,與 V+D相比,V+F、V+W和V+F+W均有益于地上、地下干物質量的積累,地上干物質量分別增加21.0%、 10.1%和36.5%, 地下干物質量分別顯著增加78.3%、63.3%和87.2%。在相同物料不同灌溉水下,B+D和V+D均顯著降低了地上、地下干物質量,B+W和V+W處理下地上、地下干物質量無顯著性差異。

表3 不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜植株干物質量的影響

2.4 不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜品質的影響

由表4可知,在淡水灌溉下,B+F+W的可溶性糖和可溶性固形物含量均為最高,可溶性糖含量顯著高于B+D、B+F和B+W 49.3%、24.1%和40.0%,可溶性固形物含量顯著高于B+D、B+F和B+W 18.5%、8.9%和6.1%,且B+D處理的維生素C、可溶性糖、可溶性固形物和硝酸鹽含量均最低。在微咸水灌溉下,V+F+W可溶性糖含量顯著高于V+D、V+F和V+W處理,并且增加了維生素C含量。相同物料不同灌溉水下,對維生素C含量影響顯著,V+D相對B+D維生素C含量顯著降低10.8%,而 V+F+W和V+F相對B+F+W和B+F顯著增加維生素C含量56.7%和32.0%。V+W和V+F+W相對B+W和B+F+W顯著增加硝酸鹽含量49.9%和54.6%,而B+D與V+D之間差異不顯著。

表4 不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜品質的影響

2.5 不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜產量的影響

不同物料下咸、淡水灌溉對黃瓜產量的影響如圖3所示,在相同物料處理下,微咸水與淡水相比黃瓜產量均有所降低,其中蚯蚓原位處理加生物炭在不同灌溉水下均高于未替代土壤,與B+D相比,B+F+W處理顯著提高產量60.1%;與V+D相比,V+F+W處理顯著提高產量49.6%,而添加生物炭與未處理土壤差異不顯著。

2.6 不同物料下咸、淡水灌溉主成分、隸屬函數、綜合評價值(D)以及排名

通過主成分分析并計算得分,以及隸屬函數μ(X1)、μ(X2)和μ(X3)結合權重處理求得綜合評價D值,并對其進行排序(表5)。從總體土壤理化性質、酶活性、植株干質量、品質和經濟產量幾個方面綜合表現分析后,淡水+蚯蚓原位處理+生物炭(B+F+W)處理綜合評價D值最高,其次是微咸水+蚯蚓原位處理+生物炭(B+F+W)、B+F和V+F處理,V+W、B+W、V+D和B+D處理綜合評價D值較低。其主要原因可能是土壤養分較低、植株吸收利用和產量較低。

表5 不同物料下咸、淡水灌溉主成分、隸屬函數、綜合評價值(D)以及排名

3 討論

寧夏現階段需要解決水資源高效利用的問題,微咸水在寧夏相對豐富,利用好微咸水也是改善水資源短缺的有效手段之一[19],但是使用微咸水灌溉會導致鹽分積累,從而引起鹽分脅迫,植物對鹽分脅迫的生理、生長、品質等響應不同。本研究中各處理在微咸水灌溉下對植株地上干物質量無顯著影響,這可能是測定的時間段鹽分積累還不夠明顯,還未能夠對植株造成較為嚴重的脅迫[20]。與 V+D相比,V+F、V+W和V+F+W處理在鹽脅迫下地下部干物質量顯著增加,地下部干物質量分別增加了 78.3%、63.3%和87.2%。這可能是由于添加蚯蚓糞后土壤中營養元素含量得到提高,進而提高了植物的生物量[21-22]。

土壤作為植物生長的介質,為植物生長提供養分和水分,同時起著植物根系伸展、固定的作用。本試驗研究發現,添加生物炭與蚯蚓原位處理使土壤養分含量均有所提高,這可能與蚯蚓糞和生物炭自身含有的豐富營養成分有關[23]。在相同物料不同灌溉水下對pH值、EC值和全磷含量影響顯著,這可能是由于灌溉微咸水后造成基質酸堿環境發生變化[24]。pH值作為土壤中重要的化學性質之一,其對土壤和植株養分含量的吸收利用有影響[25]。本研究發現V+F+W與V+D相比顯著降低了pH值,但是顯著增加了基質EC值,這是由于蚯蚓糞的養分含量很高,因此蚯蚓原位處理增加了EC值[26]。本研究得出B+F+W可顯著增加速效氮、全氮、全磷和有機質含量,這與趙永鑫等得出的結論[27]一致。生物炭由于其自身含有營養元素,添加到土壤里增加了土壤有效養分和有機質含量[28];王世斌等研究表明,生物炭處理明顯降低了土壤含鹽量,減輕了對作物的不利影響[29]。在微咸水灌溉下,V+F+W處理可顯著提高速效氮、全氮、全磷和有機質含量,這可能是蚯蚓糞自身含有豐富的營養元素,土壤可直接從中吸收[30]。同時由于生物炭疏松多孔,穩定性強和吸附作用降低了土壤營養物質的淋失[31]。本試驗得出,相同物料不同灌溉水下,蚯蚓原位處理和添加生物炭有益于土壤改良,增加土壤養分含量。

土壤酶是土壤生物活性的綜合表現[32],同時土壤酶在維持土壤生態系統穩定方面發揮著重要的作用[33-34]。本研究得出,在淡水灌溉下,B+F+W處理的脲酶、過氧化氫酶活性均為最高,這可能是蚯蚓糞本身酶活性較高,微生物活性得到增強,因此會分泌更多的脲酶[35]。在微咸水灌溉下,V+F+W處理的磷酸酶活性顯著高于V+D,這與劉麗等的結論[36]相似。這可能是由于蚯蚓糞中含有無機磷成分,磷酸酶的反應產物中也包含無機磷成分,這使得酶促反應的進行受到抑制,所以施加蚯蚓糞的處理磷酸酶活性較高[37]。本研究中未處理土壤添加生物炭在咸淡水灌溉下降低了脲酶和過氧化氫活性,這可能是由于生物炭中含有抑制性物質,例如呋喃、酚類等[38-39]。

鹽脅迫下植物會主動增加滲透調節物質的合成,從而提高可溶性糖含量。本試驗V+F+W相對B+F+W處理顯著降低了可溶性糖含量11.1%,而V+D處理相對B+D顯著提高可溶性糖含量14.1%;V+W處理與淡水灌溉相比可溶性糖含量無顯著性變化。V+F+W處理相對B+F+W處理顯著提高維生素C含量56.7%。相關研究表明,有機肥料中的常量元素有益于提高果實維生素C的含量,而生物炭自身含有豐富的碳元素及礦質營養元素,可以用來影響作物生長,提高作物品質[40]。在淡水灌溉條件下,B+F+W處理的黃瓜果實可溶性糖和可溶性固形物含量均為最高;在微咸水灌溉處理下,V+F+W處理的可溶性固形物含量顯著高于V+W處理,這可能是由于蚯蚓糞自生含有多種常見的元素,進而能夠起到提高作物品質的作用[41-42]。本試驗研究發現,與未處理對照土壤相比,蚯蚓原位處理+生物炭在不同灌溉條件下顯著增加了黃瓜產量,這可能是因為生物炭對土壤起到了一定的修復作用,使作物有一個有利的生長環境[43]。而蚯蚓糞作為一種高效有機肥,含有大量植物生長素對作物生長有一定的促進作用,進而能夠提高作物產量[44]。

4 結論

與對照(B+D)相比,在淡水灌溉下蚯蚓原位處理+生物炭處理顯著增加了地上和地下干物質量;在微咸水灌溉下蚯蚓原位處理+生物炭和二者配施顯著增加了地上和地下干物質量。

與對照(B+D)相比,淡水灌溉下,蚯蚓原位處理+生物炭處理顯著增加了土壤EC值、速效氮、全磷含量和脲酶活性,微咸水灌溉下,蚯蚓原位處理與蚯蚓原位處理+生物炭均能增加EC值、速效氮、全氮、全磷、有機質含量和磷酸酶活性。在相同物料不同灌溉水下對全磷、脲酶和磷酸酶含量影響顯著。

與對照(B+D)相比,淡水灌溉下,蚯蚓原位處理+生物炭處理顯著提高了黃瓜果實可溶性糖含量。微咸水灌溉下,蚯蚓原位處理+生物炭處理的黃瓜維生素C含量顯著高于V+D,2種灌溉水下,淡水灌溉下的黃瓜產量高于微咸水灌溉,但是與 V+D相比,V+F+W處理的黃瓜產量顯著增加49.6%。

綜合分析表明,淡水灌溉下,蚯蚓原位處理+生物炭綜合評價值最高;在微咸水灌溉下,也是蚯蚓原位處理+生物炭綜合評價值最高;在2種灌溉條件下,蚯蚓原位處理+生物炭組合綜合效果最佳,因此可作為一種有效的土壤改良劑增加土壤肥力,提高黃瓜產量及品質。